普通光学中，人们利用辐射与物质的相互作用来控制光束，也可借助荷电和中性粒子束与光的相互作用对这些粒子加以研究和控制，本文中叙述原子束激光光学的新进展——实验学家如何用激光辐射压力控制中性原子。

激光器的发明，为我们提供谱线亮度、单色性和定向性都很高的光源。原是几乎不可察觉的光压现象，现在成了控制原子运动的灵便手段。众多的实验表明，物理学家现在已可支配一种新的有效工具，足以激励和发展一门新型光学——中性原子束光学。本文将论述有关中性原子束准直、聚焦和镜反射的一些最近实验。我们将这些实验当作控制原子束的光学元件发展道路上的起步。

作用在原子上的辐射力

这里所谓的辐射力，是指激光与原子间相互作用产生的合力。与光场的波长、强度和时空结构有关，辐射力可以是原子位置和速度的极其复杂的函数。但是问题可以简化，因为关于光压力的一切研究，汉对下述三种光场进行：平面波、高斯分布光束和驻波。所以，我们仅限于研究这几种光场形式。

平面波在这种激光力作用下，钠原子的加速度可达10⁸厘米/秒²相当于重力加速度的十万倍。

高斯激光束由于光场的横向不均匀性，位于宽度限定的激光束中的原子，将受到附加的梯度力的作用。

平面驻波

驻波可由两反向传播的光波形成。当辐射强度很低时，驻波力简单地为分量光波之和。随着辐射强度增高，激光场的调制在半波长时起作用，这使梯度力显著加大。并且，当辐射强度很高时，原子运动由于受激再放出光子的作用，而且由于光场的不均匀，就产生与速度有关的梯度力分量。当原子在高光强而且场强随时间显著改变的高度不均匀光场中运动时，这种力的出现使原子发生自然衰变，导致原子沿激光轴缓慢运动。不同于传播波的辐射压力，这一减速力可随激光强度的加大而无限地增长。

原子束的准直

详细考虑用辐射压力的准直。示于图1的原子束受轴对称光场全面辐照，光频率ω₁相对于原子跃迁频率ω₀红向移动。轴对称场由锥形“旋转三棱镜”反射面的内表面反射出的激光束形成。在图平面内，这一光场含有两反向传播的光波，在三棱镜内各点的光强均相等。对于热原子束，最终准直角为1 0^-3或10^-4弧度的数量级。如果初始歧角为0.1弧度，则轴上原子束的强度或许可成百万倍地增高。

我们作了钠原子束的实验。图1中示出与激光场相互作用前后的钠原子分布。准直过程对激光频率的准确值很敏感。为了达到准直，我们使激光朝红向失调13兆赫。原子纵向速度为7.3×10⁴厘米/秒。相互作用前后的束分布表明轴上原子束强度增加为5倍，原子束明显变狭（准直）。如改为正向失调，原子束就变宽（解除准直）。此时观察到轴上原子束强度的减少量在三个数量级以上。

聚焦和成像

任何光学的基本元件是透镜。因此，必须配置能使中性原子束聚焦的激光场构型。目前原子束的聚焦有两种可能性：梯度力和自然辐射压力。

用梯度力聚焦原子束，早在十年前已在贝尔实验室得到证实。这一方案中，原子束沿狭激光束并在光束内传输。激光频率调成低于原子跃迁频率，以便使梯度力指向激光束轴。用这一方法，原子束宽度被压缩到26微米的最小值。

我们在1986年的实验，用类似图2所示的另一种激光场构型。通常，我们的方法用四路发散的高斯激光束向原子束中的一点传播。四条激光束的狭腰部至光场构型的中心点是等距的。激光频率调成与原子吸收频率准确谐振。在这些条件下，离开原子束轴运动的原子，受到自然辐射力的作用，趋向于返回原子束轴。

此时，梯度力的作用不大。由于这一构型可显示出原子束从一点出发（相似于普通光学中的点光源），经过与激光相互作用后向另一点的聚焦，因此它就起到了中性原子束的“激光透镜”的作用。并且，还可用几何术语定义这种透镜的焦距F、系统的光学参数和原子参数，并导出激光透镜公式：

1/S+1/L=（1/f）（1-d/2L）

这里d是激光厚度，S与L分别是原子源和像与透镜的距离。激光透镜在空间中是完全定域的。其沿原子束的特征尺寸d远小于S与L，在这些条件下，这一透镜公式与普通光学的透镜公式正好类同。

我们首次成功的聚焦实验是以钠原子束进行的，激光透镜仅由两反向传播的高斯光束形成。这种激光透镜与普通光学的柱形透镜相似。表示颇为精心设计的四激光束透镜的图2中，示出“两点”原子源的成像，原子源是开有直径为0.5毫米，相隔2毫米的两个孔的原子炉。当激光透镜不存在时，原子束的分布是一个宽而发散的斑点。用两激光束在原子路径上形成透镜，我们发现原子轨道服从中性粒子束光学定律。在像平面中，原子束的分布包括两个很明显的尖峰，每一尖蜂对应一个原子源孔。

这种激光透镜的严重缺点是分辨能力不足：最小焦斑直径约为50微米。

采用梯度力的旧概念，但是激光场的构型以及原子 - 光场相互作用的几何条件都不同于前，可使分辨力大为提高。我们曾提出一种“原子物镜”，其分辨力为几埃。这种物镜的聚焦激光场，要求将其频率调成与原子跃迁频率相差很大。聚焦激光场取TEM₀₁^*模式，原子束沿透镜轴传播，激光辐射的强迫聚焦，形成一个有效的“薄”透镜，而且选用TEM₀₁^*模式和加大频率失调量、可获得接近“理想”的物镜。例如，如果透镜横向尺寸制成等于几个波长，激光器功率约为1瓦，那么原子束焦斑直径不会比数埃高出许多。

原子束的反射

反射镜的重要性不亚于透镜。反射镜可用于聚焦和反射两方面。凹面镜聚焦比透镜聚焦的优点是能避免色差，这对色差可能特别严重的粒子束光学尤为重要。

原子镜的概念，首先由美国空气动力技术研究所的R. J. 科克（Richard J. Cook）和R. K. 希尔（Richard K. Hill）于1982年提出。它是由激光束在电介质 - 真空界面上完全内反射而产生的很薄的“损耗”（表面）波所形成的。这一表面的厚度与波长数量级相同。在电介质表面上，激光辐射强度等于介质内的初始激光强度，但在真空中它在几个表面波长范围几乎剧烈降低为零。

在这种表面波中出现巨大的光强梯度，最大梯度在光学中从未见过，置于频率高于原子跃迁频率的这种激光表面波中的原子，受到梯度力的作用，趋向于将原子从光波驱向真空中。如果原子从真空一边临近于表面波，它就在表面波中骤然减速成法向速度为零，然后在波中朝离开表面的反方向加速。其横向速度（垂直于表面）如若不超过某一临界最大值，则原子的入射角就接近等于其反射角，这与光线对普通反射镜的投射多么相似。

最大原子横向速度所对应的动能，等于表面波的势垒高度。原子横向速度如高于这一临界最大值，原子将到达电介质表面，并以漫射方式从这一表面土反射。对于功率为1瓦的典型连续（CW）激光器辐射，以及例如对于具有热速度为6×10⁴厘米/秒的钠原子，临界横向速度为5×10²厘米/秒。此时入射角应在表面的10^-2弧度范围内。用激光致冷的原子束或脉冲染料激光器的辐射，入射角可不受限制，即使是原子镜法线方向的原子束反射也有可能实现。

作者学术小组于1987年报导过首次用原子镜观察反射，用的是钠原子束。原子镜是一块熔凝的石英平行面平板，激光束通过其斜截侧面。为了加大原子镜的表面积，利用了激光束的反复完全内反射，图6中示出入射、反射原子束和基准束的布置图。图中还示出三种原子束的分布。当原子镜平行于原子束轴，原子飞过镜旁时，分布图仅显示出基准束和入射束。如将镜倾斜成切割原子束，就观察到它的反射。随着镜的倾角加大，反射角也就加大，但遭受镜反射的原子数则减少，因为部分原子达到镜面，受到漫反射。实验中观察到的最大反射角约为0.4°，镜反射率接近100%。

原子镜的另一重要特性是能以量子态选择方式反射原子。这一选择性，起因于作用在原子上的梯度力与激光频率之间相互关系的色散性：当激光频率与原子吸收频率的失调为正数时，梯度力使原子离开表面；而当失调量为负数时，此力将原子拉向表面，从而使原子遭受漫散射。假定分布在基态的几个子能级之中的原子束撞到原子镜上。子能级转为激态的跃迁频率如果低于激光频率，则这一子能级的原子就被镜反射，其余的将以漫射方式散射。因此，反射束将仅含单一能级的原子。去年我们曾观察到钠基态的两个超精细分裂子能级的原子选择反射，发现F=2的子能级原子的镜反射率至少比F=1子能级的高100倍。

注意，对于分子也可预料有这种选择反射。这为单一振动 - 旋转能级的分子束的产生以及分子束能谱学开创了可能性。

还可研制球面原子镜和共振腔。这需要由感光镜取代物理镜的光腔。通过外部原子束的激光准直，将原子注入这种光腔。腔内原子最大稳态密度、可由其注入腔中的速率及其在腔中的寿命确定。普通光腔的光场特性参数之一是其简并度——每一腔模的光子数。我们的估计表明，原子德波洛利波准光腔的实现，原则上可在相当低的原子密度下达到高简并度。这是由于速度单色化和原子波在腔中准直的缘故。

前景

仅根据这几个初步实验，我们已可说物理学家已拥有控制原子的全新方法。随着激光技术的进展，不但中性原子束光学元件，而且或许扩展到分子束都有可能。中性原子束光学的几种可能用途已经清楚。原子束的准直可使其成形并提高其发散和相密度，所有这一切均以同位素选择方式进行。原子束的聚焦除增加其密度外，还有助于制造原子显微镜。不难展望扫描透射显微镜或这类反射显微镜的产生。散射或反射原子可用现有的单原子探测技术记录。

原子镜可用作中性原子束的高速偏转器、调制器和光闸，也可用来产生超冷原子阱。原子凹镜可用作原子显微镜的光学元件，因为它能将原子束聚焦成直径可与原子德波洛利波长相比拟的斑点；原子 - 激光相互作用时间太短，以致动量来不及发散，这就成为一个制约因素。焦斑直径为几埃的原子束强聚焦，可用来观察原子碰撞，并可在严格控制的条件下研究原子散射。这一技术推广到分子束也令人感兴趣，这对深入了解分子相互作用动力学会产生良好的洞察力。

限于篇幅，本文未能讨论与普通光学的其它相似之处，也未涉及干涉现象。例如，有几种激光构型可用作原子束衍射光栅和射束分离器。这一领域中许多令人难忘的工作已在全世界各实验室中完成。

[Physics Today，1989年4月]